CAN-bus總線信號傳輸延時分析及解決方案

由于CAN-bus總線的實時性強、抗干擾能力強等特點，在軌道交通、汽車電子等行業得到廣泛的應用。伴隨著技術的升級和CAN節點的增加，CAN協議提供的8字節數據傳輸以及最高1Mbps的波特率已經不能滿足工程師的應用需求。針對此現象，CiA協議聯合各大車廠，制定出新一代的CAN FD協議，其主要的內容就是將一幀的數據段由8字節提升到64字節，同時可以提升數據段的波特率，以縮短通訊時間。

在一些行業中，對實時性要求很高，例如CAN通信在軌道交通制動系統中的應用，如果CAN-bus總線通訊出現了延遲，會嚴重影響軌道交通安全，造成列車運行癱瘓，甚至危及人身安全。那么，如何評估CAN網絡延時情況以及如何降低CAN/CAN FD通訊延遲，保證通訊穩定呢?接下來，做詳細介紹。

1.1 CAN/CAN FD網絡信號延時上限

CAN-bus總線采用多主通信模式、非破壞式總線仲裁機制。發送節點在發送報文時，在發完CRC校驗場之后，會發出長度為2個位的ACK段，如圖1所示。當接收節點正確接收到有效報文時，就會在應答間隙(ACK SLOT)向發送節點發送一個“顯性”位來作為回應。發送節點檢測到總線呈現顯性狀態，便認為成功發送報文。如果發送節點沒有檢測到有效的顯性位，則認為總線錯誤。所以，CAN FD信號延遲的最大時限是確保發送節點在應答間隙內接收到有效的應答信號。

圖 1 ACK應答

以1Mbit/s波特率為例，在單次采樣模式下，當采樣率為75%時，應保證在750ns內，發送節點能夠采集到接收節點發出的顯性位，否則會出現總線錯誤。即，延時總和時間≤位時間x采樣點百分比。

1.2 如何快速評估CAN網絡延時情況?

工程師們在開發設計CAN底層硬件時，需要結合應用場景充分考慮延遲帶來的影響。那么，工程師如何快速評估CAN網絡的延時情況?如圖2所示，是CANScope分析儀抓取的，由于傳輸延遲導致的錯誤波形。

圖 2 傳輸延遲錯誤

由于 ACK 界定符被前面的應答場嚴重壓縮，導致被某個節點識別為顯性(原本是隱性)，所以這個識別錯誤的節點后面發出了錯誤幀，進行全局通知，讓發送節點重新發送。

CANScope分析儀可以提供傳輸延遲測量的功能，可以進行單幀的延遲測量，也可以進行所有波形的延時統計。如圖3所示，可以通過延遲測量出導線的等效長度，即最大延遲÷5ns/m，并給出該波特率下最長等效傳輸距離。

圖 3 CANScope傳輸延遲測量功能

1.3 CAN/CAN FD信號延時分析

通過延時上限可以了解到，我們需要嚴格的控制總線上各個部分造成的延時時間，確保延時時間總和在一定范圍內。接下來，以CAN FD為例，了解一下造成延時的具體原因。

如圖4所示，CAN FD網絡上兩節點之間通信過程中，CAN FD報文首先從節點A控制器發出，經過隔離器件、CAN FD收發器發送到總線上，再通過一段距離的傳輸依次達到節點B的CAN FD收發器、隔離器件，CAN FD控制器，最后又節點B發出ACK顯性應答位，重復上述過程到達節點A。很明顯，整個過程中，會影響信號傳輸延遲的因素有：CAN FD控制器、隔離方式、收發器循環延時、線纜傳播。

圖 4 總線節點通訊結構

1. CAN FD控制器延時

CAN FD控制器造成的延時可以從兩方面分析：

·軟件延時：在應用進程中，主CPU將數據從CAN FD控制器中讀寫耗費的時間;

·控制器延時：CAN FD控制器實現串行化信息所耗費的時間。

這個過程中與主控制器、CAN FD控制器、接口芯片等有關，通常情況下，延時在納秒級以下，可以忽略不計。

2. 隔離方式造成的延時

為了增加信號傳輸的可靠性，通常都會在CAN FD底層硬件設計中添加隔離設計。隔離器件的添加，帶來一定的延時并影響CANFD系統容許的線纜長度。不同的隔離方式，延時效果也不同。

常用的解決方案有光耦+CAN FD收發器，如圖5所示。圖中光耦6N137具有典型的單向延時60ns，加上全部信號雙向傳輸會造成240ns延時。

圖 5 光耦+CAN收發器

相比上述分立器件的隔離方式，也可以采用隔離收發器的方案，如圖6所示。例如，CTM5MFD采用磁耦隔離方式，延時時間在3~5ns。這種情況下，基本不會影響總線容許通信線纜長度。

圖 6 CAN FD隔離收發器

3. 收發器循環延時

循環延時指TXD引腳信號變化導致至RXD引腳信號變化的時間差。如圖7所示，可以測試TXD和RXD之間的循環延時。

圖 7 收發器循環延時測量

CAN FD收發器循環延時由收發器本身的性能決定，傳播延時最大可達幾百納秒。 CAN FD收發器延時是CAN總線規范必測項目，選取性能高的收發器，可以有效降低傳輸延時，增加總線傳輸距離。

4. 線纜傳播延時

線纜是CAN-bus總線傳輸的重要介質，其長度也是影響通訊延時的重要原因。不同類型的線纜會造成不同的延時效果。通常情況下，導線延時為5ns/m，建議選擇較粗的導線，線徑越大，延遲越小，或者可以使用鍍金、鍍銀的線纜(鍍金的0.2平方毫米線相當于1.0平方毫米的銅線)。線徑過小，其導線阻值過大，影響傳輸速率造成延遲。線纜的延時越小，CAN總線傳輸的距離越遠。

綜合上述介紹，我們可以總結出以下解決信號延遲的方案：

·選擇性能較好的CAN FD收發器和CAN FD控制器;

·使用CTM3(5)MFD磁耦隔離收發器，降低延時;

·使用標準線纜，禁止使用電話線、網線等線徑較小的線纜，必要時可選擇較好材質的導線;

·波特率一定時，傳輸距離過大，可以添加CAN FD網橋，降低導線傳輸延時。

1.4 CAN/CANFD轉CAN/CANFD網橋

如圖8所示，CANFDBridge是廣州致遠電子有限公司開發的高性能CAN/CANFD智能協議網橋，集成2路CAN/CANFD可切換接口，支持ISO標準CANFD與Bosch CANFD標準。每個接口具備獨立的2500VDC電氣隔離保護電路，使接口卡避免由于地環流的損壞，增強系統在惡劣環境中使用的可靠性。

CANFDBridge支持 CAN 轉 CAN、CAN 轉CANFD、CANFD轉 CAN、CANFD轉CANFD 等報文默認轉換處理。除此之外，還提供幀映射、合并和拆分等特殊轉換處理。用戶可自由設定 CAN(FD)報文的轉發映射、組包拆包等規則，滿足自身應用需求。

圖 8 CAN FD網橋

1.5 CANScope總線綜合分析儀系列

如圖9所示，CANScope總線綜合分析儀是一款綜合性的CAN總線開發與測試的專業工具，集海量存儲示波器、網絡分析儀、誤碼率分析儀、協議分析儀及可靠性測試工具于一身，并把各種儀器有機的整合和關聯;重新定義CAN總線的開發測試方法，可對CAN網絡通信正確性、可靠性、合理性進行多角度全方位的評估;幫助用戶快速定位故障節點，解決CAN總線應用的各種問題。

圖 9 CANScope分析儀